Methodik - Messprinzipien - Messparameter

Methodik des O2C
Messparameter
Die neue optische Methode bestimmt den mikrovaskulären Blutfluss, die postkapilläre
Sauerstoffsättigung und die lokale Hämoglobinmenge, die den mikrovaskulären Füllungszustand und die Gefässdichte repräsentiert.
Lichtausbreitung im Gewebe
Der Gewebespektrometrie liegen zwei unterschiedliche optische Techniken zugrunde, bei der
Licht eines kontinuierlichen Spektrums an Wellenlängen zur Bestimmung von
Sauerstoffsättigung und Hämoglobinmenge (Weisslichtspektrometrie) und Licht einer
spezifischen Wellenlänge (Laser-Doppler Technik) zum Einsatz kommen. In Gewebe
eingestrahltes Licht wird an den Mitochondrien gestreut, wodurch sich die
Ausbreitungsrichtung ändert und Remissionsmessungen mit Signaldetektion parallel zur
Lichteinstrahlung ermöglich werden. Durch die Streuung wird die Intensität des Lichts
verändert, allerdings nicht die Farbe. Zusätzlich wird das Licht wellenlängenabhängig von
Blutfarbstoffen, v.a. dem Hämoglobin in Abhängigkeit von dessen Sauerstoffsättigung
abgeschwächt (absorbiert) und damit die Farbe des Lichtes verändert.
80
Weißlicht
SO2
relHb
60
40
Laser-Licht
20
I
0
λ
λ
500
540
580
620
Farbiges Licht
Messparameter
Flow
Velocity
Laser-Licht
Optische Sonde
Schematischer Weg der Photonen im
Gewebe
Streuung des
Lichtes an
Mitochondrien
Veränderung in Farbe und Intensität
durch Erythrozyten
S
Mikrovaskuläre Blutgefäße
f1
f2
Frequenzänderung (f2=f1+∆f )
verursacht durch bewegte Erythrozyten
Gewebe
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Abbildung 2: Schema der Lichtausbreitung im Gewebe zur Erörterung der spektrometrischen
Oxygenierungsbestimmung mit Weißlicht und des Blutflusses aus der Doppler-Messung an den
bewegten Erythrozyten.
Das Licht, das an einer Stelle an der Oberfläche des Gewebes eingestrahlt wird, kann in
abgeschwächter
Form und
Flow
Flow
Detektion 1
Illumination
Velocity
Velocity
farbverändert
SO2
wieder detektiert
Detektion 2
SO2
relHb
werden. Der
relHb
Abstand zwischen
Glasfaser-Sonde
der Stelle, an der
Oberflächennahe
das Licht in das
Messungen
Gewebe eingestrahlt
(z.B. in Haut)
O.
wird und der Stelle
Farbiges Licht
an der das Licht an
der Oberfläche
wieder detektiert
Laser-Licht
Messungen in der Tiefe
Schematischer
wird, definiert nun
(z.B. im Skelettmuskel)
Lichtweg durch das
maßgeblich die
Gewebe in
verschiedenen Tiefen
Detektionstiefe des
Lichtes. Dieser
Abbildung 3: Messungen sind in verschiedenen Tiefen möglich durch
Abstand zwischen
Veränderung der Separation
Illuminations- und
Detektionsstelle wird auch als Separation bezeichnet, siehe Abbildung 3. Durch
beispielsweise eine Vergrößerung dieser Separation kann das Licht aus einer größeren Tiefe
detektiert werden (Detektion 2 in Abbildung 3). Es lassen sich durch die Auswahl einer
Separation und eines geeignetem Wellenlängenbereichs beliebige Detektionstiefen von etwa
100 µm bis zu 15 mm definieren, so dass mit geeigneten Sonden beispielsweise Gewebe wie
Mukosa oder Haut, Muskel und Knochen völlig nicht invasiv mit Licht erfasst werden
können.
Laser-Doppler
Im O2C kommt Licht in zwei verschiedenen Formen zum Einsatz, als Weißlicht und als
LASER. Das Laserlicht ist unter anderem charakterisiert durch eine einzige
Wellenlänge/Frequenz. Trifft das Laserlicht auf einen bewegten Erythrozyten, so werden die
Lichtwellen in ihrer Frequenz verschoben, ein Phänomen bekannt als Doppler-Shift, ähnlich
wie bei Ultraschallwellen. In Abbildung 2 ist dieser Vorgang illustriert. Aus der DopplerFrequenz-Verschiebung lässt sich die Geschwindigkeit der Erythrozyten bestimmen. Zudem
kann aus der Höhe der detektierten und normierten Laserlichtintensität die Anzahl der
bewegten Erythrozyten bestimmt werden. Das Produkt aus Geschwindigkeit (vi) multipliziert
mit der Anzahl der Erythrozyten mit dieser Geschwindigkeit (Ni) summiert über alle
auftretenden Erythrozytengeschwindigkeiten (Σi) definiert den Blutfluss in der
Mikrozirkulation.
Σi vi . Ni = Blutfluss
Die Bestimmung des Blutflusses mit Hilfe eines Laser-Dopplers ist sehr einfach in der
Handhabung da keine Gefäße gesucht und auch keine Querschnitte bestimmt werden
müssen. Die nachfolgende Erklärung ist stark vereinfacht und dient nur der Erklärung des
Prinzips, nicht jedoch exakt der Physik zur Bestimmung des Blutflusses. Aufgrund der
Streuung des Lichtes an den Mitochondrien in alle Raumrichtungen existiert immer auch ein
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Lichtvektor, der in die Richtung der Bewegung der Erythrozyten zeigt, sodass automatisch
alle Erythrozytenbewegungen erfasst werden können. Dieser Lichtvektor, der der Bewegung
der Erytrozythen gleichgerichtet ist, generiert den maximalen Doppler-Shift, so dass immer
der „optimale“ Einstrahlwinkel über die Lichtstreuung gefunden wird. „Optimal“ ist dabei,
wenn sich die Lichtwelle in die gleiche Richtung bewegt wie die Erythrozyten. Ein
Lichtdoppler kann somit auch den Blutfluss in einem komplexen Kapillarnetzwerk bestimmen
in dem sich Erythrozyten in einer Unzahl von Kapillaren in alle Raumrichtungen bewegen. Im
O2C wird ein Maß für die Anzahl der bewegten Erythrozyten bestimmt und ein Maß für die
Geschwindigkeit von jedem Erythrozyten erfasst. Daraus wird das Geschwindigkeitsprofil der
Erythrozyten, die Durchschnittsgeschwindigkeit und der Blutfluss gemäß obigem Produkt
berechnet.
Gewebespektrometrie
Als zweite Technik wird die Gewebespektrometrie in das O2C integriert. Die Gewebespektrometrie, isoliert betrachtet, basiert auf der Weißlichttechnologie. Weißlicht wird mit
einer Lichtquelle erzeugt, die eine Vielzahl von Wellenlängen simultan emittiert, wie es
beispielsweise von einer Glühlampe allgemein bekannt ist. Ideales Weißlicht beinhaltet alle
Wellenlängen mit gleicher Intensität. Dieses Ideal existiert real nicht und wird deshalb über
einen Weißabgleich im Gerät realisiert.
Das Weißlicht wird in das Gewebe eingestrahlt, an den Mitochondrien gestreut und läuft auf
einem statistisch bedingten Pfad durch das Gewebe. Ein kleiner Teil dieses Lichtes kann an
der Oberfläche wieder detektiert werden. Auf dem Lichtpfad durch das Gewebe wird das
Licht in seiner Farbe verändert und trägt damit die Information über die Farbe, beispielsweise
des Blutes im Messvolumen, mit zurück zur Gewebeoberfläche. Diese Information kann dort
erfasst werden, siehe Abbildung 2.
Die Farbe des Blutes ist bestimmt durch die Sättigung des Blutes mit Sauerstoff. Hämoglobin,
das zu 100% gesättigt ist, hat eine hellrote Farbe, während die Farbe des Blutes sich
kontinuierlich in eine dunkelrote Farbe verändert, wenn die Sättigung des Blutes sich bis auf
0 % Sauerstoffsättigung verringert.
Aus der an der Gewebeoberfläche erfassten Farbe des Lichtes kann somit die
Sauerstoffsättigung des Hämoglobins bestimmt werden, da jede Sauerstoffsättigung einer
eindeutigen Farbe des Hämoglobins zugeordnet werden kann. Die Farbveränderung von
hellrot bis dunkelrot entspricht folglich der Oxygenierungsveränderung von 100 % SO2 nach
0 % SO2. Die zugehörigen Farbverläufe sind in Abbildung 5 zu finden.
Absorption
Die Weißlichttechnologie
ermöglicht zudem die
Bestimmung der lokalen
Hämoglobinmenge,
indem die
rHb
2x rHb
Lichtabschwächung
(Absorption) verursacht
durch das Hämoglobin
spektral gemessen wird.
Vereinfacht ausgedrückt
wird das in das Gewebe
500
520
540
560
580
600
620
Wellenlänge [nm]
eingekoppelte weiße
Abbildung 4: Darstellung von zwei Hämoglobinspektren,
Licht umso stärker rot
die unterschiedliche Blutmengen im Gewebe repräsentieren
eingefärbt, je mehr
Hämoglobin im Gewebe vorhanden ist. Aufgrund dieses physikalischen Prinzips ist es
möglich, die lokal in den mikrovaskulären Gefäßen vorhandene Blutmenge zu bestimmen.
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Absorption [rel. units]
Abbildung 4 zeigt zwei Hämoglobinspektren. Das mit rHb bezeichnete Spektrum geringer
Amplitude entspricht
0%SO2
100%SO2
einer Hämoglobin10%SO2
16
20%SO2
menge von
30%SO2
beispielsweise 30 AU
40%SO2
14
50%SO2
im Gewebe, während
60%SO2
70%SO2
12
die Kurve die mit
80%SO2
90%SO2
2xrHb bezeichnet ist,
10
die doppelt so hohe
Absorptionsamplitude
8
hat und dann, um im
6
Beispiel zu bleiben,
einer Hämoglobin4
menge von 60 AU im
2
Gewebe entsprechen
würden. (AU =
0
arbitrary unit, also
500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820
Wavelength [nm]
eine willkürlich
Abbildung 5: Hämoglobin-Absorptions-Spektren im sichtbaren und infrarot-nahen
gewählte Einheit, da
Wellenlängenbereich. Beispielhaft gezeigt für Oxygenierungen im Bereich von 0 bis
hierfür keine SI100 %, variiert in Intervallen von 10 %.
Einheiten existieren).
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
695
715
735
755
775
795
815
Beim O2C wird in der Regel der sichtbare Wellenlängenbereich von 500 bis 630 nm
ausgewertet um Sauerstoffsättigungswerte und Hämoglobinwerte aus einer Detektionstiefe bis
etwa 2 mm (beispielsweise der Haut) zu bestimmen, während der nahinfrarote
Wellenlängenbereich von 650 bis 800 nm ausgewertet wird, um Sauerstoffsättigungswerte
und Hämoglobinwerte bis in Detektionstiefen von etwa 15 mm zu bestimmen (beispielsweise
dem Muskel). Abbildung 5 zeigt den deutlichen Unterschied in der Absorption zwischen den
beiden Wellenlängenbereichen (500 bis 630nm = VIS) und (650 bis 800nm = NIR), der im
Verhältnis von etwa 20 : 1 liegt.
3 Physiologische Bedeutung der Messparameter des O2C
Hypoxiediagnostik - Venoläre Sauerstoffsättigungswerte
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